Durante este siglo se comenzaron las obras de la nueva Catedral y se produjo la fundación del Convento de las Carmelitas Descalzas por Santa Teresa de Jesús y San Juan de la Cruz. Aunque lo más significativo de este siglo fue el comienzo de la Revolución de los Comuneros en la Iglesia del Corpus Christi en mayo de 1520. A finales de siglo tiene lugar una epidemia de peste que merma de forma importante la población de Segovia.
Poco a poco los reyes dejan de ir al Alcázar lo que hace que se convierta en una prisión durante el siglo XVII, y será en el siglo XVIII cuando la monarquía vuelva a tierras segovianas, pero esta vez Felipe V elige la Granja de San Ildefonso como lugar en el que se comienza a construir un Palacio, en concreto en el año 1721. Posteriormente será su viuda, Isabel de Farnesio quien ordene la construcción del Palacio de Riofrío, en las proximidades.
De vuelta a Segovia, en el año 1764 se inauguró en el Alcázar el Real Colegio de Artillería, que se convierte en la primera academia militar de España. Contó con un gran laboratorio de química y una biblioteca que fue considerada como de las más importante debido a las obras que reunía. Pero lamentablemente una buena parte de sus fondos se perdieron en el incendio de 1862, lo que dejó en ruinas el Alcázar e hizo que la Academia fuera trasladada al Convento de San Francisco.
En el siglo XIX se produjeron muchos cambios en la ciudad: por una lado se destruyeron muchas iglesias románicas para que se hicieran parques y plazas, siguiendo la moda urbanística de la época; por otro lado llegó el ferrocarril: primero a Medina del Campo, y años después otra línea hasta Villalba; una tormenta destruyó la torre de la Catedral, que fue reparada por el italiano Montanera; otra tormenta destruyó parte de la torre de San Esteban, y en 1884 el Acueducto fue declarado Monumento Nacional, primero de unos cuantos edificios que a lo largo del siglo siguiente ganaron también esta distinción, hasta que en 1985 la UNESCO declara el Casco Antiguo y el Acueducto como Patrimonio de la Humanidad, lo que hace que Segovia sea hoy un gran destino turístico y sea la base de su economía.